超前地质钻机在隧道预报中的应用探索

徐海涛

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原030024）

0 引言

在经济的带动下城市交通体系日趋完善，高速公路建设步入了新的发展阶段，驾车成为了人们的主要出行方式。各个城市都开始积极建设高速公路，许多高速公路的运行路线经过山区需要修建隧道。在大部分隧道施工过程中都会遇到软弱性质的岩土层，例如溶洞或者软弱破碎地带等，在隧道开挖时容易出现坍塌和不稳定的现象，会增加隧道工程的施工安全隐患。超前地质钻机的应用能够在开挖前对前方围岩实施预测，向施工人员直观的展现不良地质，根据钻进过程中记录下的参数能够对围岩情况和级别实施判定，为后续隧道开挖和隧道支护提高有效的数据支持，提高隧道工程施工安全性。

1 隧道超前预报方法

当前在隧道超前预报工作开展过程中会使用地质分析法以及物探法，随着隧道工程建设规模和数量不断的扩大，超前预报工作的准确性也需持续提升。地质分析法是根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描，通过地层层序对比、地层分界线以及多种相关性分析来判断地下情况的方法。物探法包括电磁波反射法、地震波反射法、高分辨直流电法以及瞬变电磁法等，通过波长和物体之间的关系来评估地下情况。超前钻探法也是常用的隧道超前预防手段之一，在隧道内安置水平钻机实施水平方向的隧道钻进，根据钻进过程中所收集到的围岩资料对前方围岩情况进行有效分析。这种方法目前在隧道超前预报工作中有着广泛的应用，能够更加直观的体现钻孔所经过区域的围岩情况。

在地质条件不复杂或者埋深较浅的情况下使用单一预报手段可以获得精度较高的数据，如果地质环境复杂或者埋深大的情况下只使用一种预报方法则会严重影响预报精准度[1]。因此在实际的隧道开挖超前预报的过程中，经常会出现漏报或者数据错误的问题，使得获取的预报数据并不具备较高的参考意义。目前在隧道超前预报过程中经常会选择2 种方法或者2 种以上的方法进行地质探测，成为了隧道预报的主要发展趋势，弥补了以往单一预测手段存在的局限性。本文选择超前地质钻进进行预测，该种钻进探测预报方式同时使用了现场钻进探查和电脑记录信息两种方式，能够对数据进行更加精准的探查和分析。超前地质钻机可以对处于隧道前方位置的围岩实施预测，对地下具体走向展开有效评估，进而准确获取地质参数。

2 超前地质钻机在隧道预报中的应用

2.1 隧道超前地质预报计划

A+级大型～特大型突水突泥及重大物探异常处：地质素描：加密观测，注意成灾先兆；长距离：TSP203，100m；中距离超前水平钻：1～3 孔，30～60m；短距离：地质雷达：15～20m，超前水平钻：不少于6 孔（含中距离钻孔），距离30m，超长炮眼：10 孔，5～10m，必要时采用地震波法测正洞。

A 级：地质素描；长距离：TSP203，100m；短距离：超前水平钻：1 孔，距离30m，如果异常时如果在3 孔之上，距离也为 30m，超长炮眼：5～8 孔，5～10m，异常处、富水断面岩溶发育层使用地质雷达，15～20m。

B 级：地质素描；长距离 TSP203，150m；短距离：超长炮眼：5 孔，5～10m，异常处、富水断层岩溶发育层面：地质1～3 孔，距离 30m。

C 级：地质素描；重要地质（层）界面、断层或物探异常处；长距离 TS0203，150m；超长炮眼孔：5～10m；必要时短距离：地质雷达：20m；超前水平钻：30m。

2.2 超前钻孔

超前地质钻机通过钻孔可以对地下情况实施有效预报，可以反映断面的地质情况和特点，了解出水钻孔数量、钻孔出水量、钻孔出水压力、探孔区域地质构造等，进而对隧道开挖前方的地质结构实施特点判断，分析是否存在涌突水的问题，以及产生涌突水后会造成的影响。在进行超前钻孔作业时根据钻进速度、岩层碎屑对地质断层情况和岩溶情况实施有效评估。超前钻孔包括水平方向钻孔、倾斜钻孔以及垂直方向钻孔，如果按照钻孔的距离进行分析，则可以分为长、中、短三种类型的钻孔。按照取芯情况可以分为取芯钻孔和不取芯钻孔。

2.3 超前地质钻孔应用工艺流程

首先需要设置工作平台，进行机具准备，准备完毕后钻机就可以就位，就位完毕后进行钻孔，对围岩信息进行采集，分析岩层、水压和水量，如果水量较小或者没有水可以将钻孔设备撤下，如果水量水压较大需要安装孔口堵水装置，安装完毕后可以将钻孔设备撤下[2]。

2.4 超前地质钻孔工艺应用要点

在进行超前水平方向的钻孔探查时普遍需要选择1个到5 个孔，分别在水平居中距洞顶2m 向上倾斜位置、左侧离侧壁1m 距洞底4m 向左倾斜位置、右侧距洞壁1m距洞底4m 向右倾斜位置、左侧离侧壁1m 距洞底1m 向左倾斜位置、右侧离侧壁1m 距洞底1m 向右倾斜位置进行钻孔，同时要在水平居中距洞底4m 实施平钻。在进行钻探工作时两次循环之间的搭接长度需要在5m 之上。在钻进工作的时候由所载电脑进行信息收集，具体收集的信息包括钻进速度、压力值、岩层碎屑以及水量等。如果遇到断层充填物或者溶洞充填物应当立即进行干钻，获取充填物样本。除此之外，还需要对遇到的各种岩层实施取样，分析不同岩层的特点，其余数据可以利用钻机所自带的孔内摄像头进行记录和收集。通过超前水平钻进后所获得的资料需要在现场就进行描述和记录。如果遇到岩溶环境，可以利用长距离和短距离相结合的方式对地下环境实施钻探，并应用5m 以下的少量炮眼展开补充钻进，能够更加准确的对前往围岩环境和地下水情况实施预测。当TSP、红外线探水设备或者地质雷达等显示隧道前方存在异常问题的时候，或者已经发现探查清楚的溶腔之后，需要实施倾斜角度的钻孔探查，能够对溶腔的发育情况更加清晰的探查，了解溶腔位置、溶腔形态以及溶腔充填情况。倾斜钻孔可以更加了解工作面附近的地质构造情况，防止在开挖的地段位置出现涌水问题。由于由于岩溶发育小范围内具有不确定性的特点，因此在使用超前水平探测仪器之后只能对局部位置的情况展开探测。当实际进行施工隧道掘进的过程中，需要利用风枪进行探测，探测的直径范围为5m，在周围设置探孔，探孔间的距离需要保持在3m，利用大量的探孔能够在爆破施工开展之前对隧道开挖前方情况以及附近周边区域的地质结构进行分析。

3 超前地质钻机的选择

3.1 钻机

钻机拥有较多的不同类型，一般来讲使用最多的钻机类型为水平地质钻机以及锚索钻机和潜孔钻，根据机械动作的行进原理可以将钻机分为两种类型，分别为回转式以及冲击回转式。前者类型的钻机被应用在硬度在中硬级别以下的岩石以及性质软弱的围岩，例如土质、泥岩、页岩以及已经风化的砂岩等。如果地质结构较硬则需要选择后者。钻孔的直径需要控制在70mm 到108mm 之间。

3.2 选择合适的钻具

钻具的选择也需要根据地层情况以及钻机类型进行选择，一般来讲钻具的类型分为四种：第一种是螺旋钻具，构成部分包括套管、螺旋钻杆以及钻头，在实际的应用过程中更加适用于第四级地质。第二种是潜孔钻具，由套管、钻杆和潜孔冲击器共同组成。第三种是通用钻具，主要是由钻杆以及钻头共同组成，其中钻杆是以往经常使用的一般类型钻杆，钻头需要选择球齿型钻头和柱齿型钻头。第四种是偏心扩孔跟管钻具，由先导钻、扩孔钻、套管、钻杆等多种结构所共同组成，其中钻具和套管可以做到同步跟进和分离退出，可以在成孔难度较大的破碎岩层中进行应用。

3.3 GL—6000S 型履带式全液压工程钻机

GL—6000S 型履带式全液压工程钻机主要适用于硬质合金回转钻进，螺杆钻进，气动潜孔锤钻进，气动潜孔锤跟管钻进、旋喷（摆喷、定喷）工程施工等多种钻进工艺方法。该类型钻机拥有多方位变幅机构，钻机在一个位置可实现多排、多角度钻孔，具有较强的适应能力；回转扭矩大，给进行程长，可以有效地提高钻进效率；钻机具有履带自行走功能，设有高低速，并配有机架回转装置，设备移位方便、快捷；钻机孔口设置有液压夹持器、卸扣装置，可以缩短上下钻时间，并降低工人的劳动强度；钻机液压系统主要元件采用进口品牌，一般元件选用国内知名品牌，系统稳定、可靠，使用寿命长；动力头采用液压变速方式，可在一定范围里实现无级变速，并设有高低档；钻机采用直动式负载反馈微调变量液压系统，功率随负载变化，高效率，低能耗；配备动力头回转速度、提升速度和立柱垂直显示装置，对孔、定位快捷、准确。

4 结束语

在隧道工程中利用超前地质钻进进行工作，能够有效分析地下回水情况和围岩变化，同时根据钻机所配置的电脑，能够根据有效数据实施综合性评估和预报。地质钻机的选型是需要根据多种因素进行评估，具体包括地质条件、用途、风压、钻进速度、钻孔深度、直径、重量等因素，不仅钻进效率较高，符合超前地质预报对数据的需求，而且操作方式较为方便。在之后的超前地质钻进应用过程中，应当对地质钻机设计进行模块化处理，可以方便对钻机进行拆卸和组装，风水管接头要进行模数化处理，按照规范及隧道施工中常采用的风水管直径设计相应的通用接头，可以提升安装的便利性，减少准备时间。